Новая литиевая батарея служит дольше и заряжается за 5 минут

Команда Cornell Engineering создала новую литиевую батарею, которая может заряжаться менее чем за пять минут – быстрее, чем любая такая батарея на рынке – сохраняя при этом стабильную производительность в течение длительных циклов зарядки и разрядки.

Этот прорыв может устранить «беспокойство о запасе хода» среди водителей, которые обеспокоены тем, что электромобили не могут преодолевать большие расстояния без длительной подзарядки.

«Беспокойство о запасе хода является более серьезным препятствием для электрификации транспорта, чем любые другие препятствия, такие как стоимость и мощность аккумуляторов, и мы определили путь для его устранения с помощью рациональной конструкции электродов», — сказал Линден Арчер, заслуженный профессор инженерных наук и декан Корнеллского инженерного факультета, курировавший проект.

Литий-ионные аккумуляторы являются одними из самых популярных средств питания электромобилей и смартфонов. Аккумуляторы легкие, надежные и относительно энергоэффективные. Однако для их зарядки требуются часы, и они не способны выдерживать большие скачки тока.

«Наша цель состояла в том, чтобы создать конструкции аккумуляторных электродов, которые заряжаются и разряжаются способами, соответствующими повседневной жизни», — говорят  ученые. «На практике мы хотим, чтобы наши электронные устройства заряжались быстро и работали в течение длительного времени. Чтобы добиться этого, мы определили уникальный индиевый анодный материал, который можно эффективно сочетать с различными катодными материалами для создания батареи, которая быстро заряжается и медленно разряжается».

Для создания новой литиевой батареи исследователи сосредоточились на кинетике электрохимических реакций, в частности, используя концепцию химической инженерии, названную «числом Дамкелера». По сути, это мера скорости протекания химических реакций по сравнению со скоростью, с которой материал транспортируется к месту реакции.

Идентификация материалов аккумуляторных электродов с высокой скоростью переноса в твердом состоянии и, следовательно, с низкими числами Дамкелера, помогла исследователям определить индий как исключительно многообещающий материал для быстрой зарядки батарей.

Индий — мягкий металл, который в основном используется для изготовления покрытий из оксида индия и олова для сенсорных дисплеев и солнечных панелей. Он также используется в качестве замены свинца в низкотемпературных припоях.

Новое исследование показывает, что индий обладает двумя важными характеристиками в качестве анода батареи: чрезвычайно низкий энергетический барьер миграции, который определяет скорость диффузии ионов в твердом состоянии; и умеренная плотность тока обмена, которая связана со скоростью восстановления ионов на аноде. Сочетание этих качеств – быстрой диффузии и медленной кинетики поверхностных реакций – имеет важное значение для быстрой зарядки и длительного хранения энергии.

«Ключевым нововведением является то, что мы открыли принцип конструкции, который позволяет ионам металлов на аноде батареи свободно перемещаться, находить правильную конфигурацию и только затем участвовать в реакции накопления заряда», — сказал Линден Арчер. «Конечным результатом является то, что в каждом цикле зарядки электрод находится в стабильном морфологическом состоянии. Именно это дает нашим новым батареям быстрой зарядки возможность многократно заряжаться и разряжаться в течение тысяч циклов».

Эта технология в сочетании с беспроводной индукционной зарядкой на дорогах уменьшит размер и стоимость аккумуляторов, сделав электротранспорт более жизнеспособным вариантом для водителей.

Однако это не означает, что индиевые аноды идеальны. «Хотя этот результат впечатляет, поскольку он учит нас, как получить батареи с быстрой зарядкой, индий тяжелый», — сказал Линден Арчер.

«В этом заключается возможность для компьютерного химического моделирования, возможно, с использованием инструментов генеративного искусственного интеллекта, чтобы узнать, какие другие химические процессы легких материалов могут достичь таких же изначально низких чисел Дамкелера. Например, существуют ли металлические сплавы, которые мы никогда не изучали и которые обладают желаемыми характеристиками? Вот откуда мое удовлетворение: существует общий принцип, который позволяет любому создать лучший анод для батареи, обеспечивающий более высокую скорость зарядки, чем современные технологии».

Статья была опубликована в журнале Joule.